STM32单片机GPIO口简介

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本篇主要介绍STM32单片机的GPIO口基本概念和GPIO 寄存器的使用

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目录

一、STM32单片机的IO口结构
二、GPIO的8种工作模式详解
三、GPIO寄存器控制
四、端口初始化
五、端口复用
六、端口重映射

一、STM32单片机的IO口结构

STM32单片机的IO口与51单片机相比较为复杂，使用前必须操作相关寄存器完成对IO口的初始化配置（单片机内部会选择不同的硬件电路连接）。IO口一共是8种模式，分别为4输入 + 2 输出 + 2 复用输出，以下是八种模式的概念和工作原理：
1、基本概念

GPIO八大模式
输入摸式	模拟输入Analog	将模拟信号转换为数字信号
	浮空输入Input floating	浮空模式默认电平是不确定的，完全由外部输入决定检测按键是否按下，就是配置为该模式
	下拉输入Input pull down	上拉和下拉输入默认电平由上拉和下拉电阻决定，上拉即将不确定电平通过一个电阻钳为在高电平，下拉同理
	上拉输入Input pull up
输出模式	开漏输出Output open drain	若不外接电路，输出一直为低电平，要想得到高电平状态，需要外接上拉电阻
	推挽输出Output push pull	可直接输出高低电平，直接驱动功耗不高的电子器件
复用模式	复用开漏输出Alternate Function open drain	引脚第二功能配置
	复用推挽输出Alternate Function  push pull	引脚第二功能配置

开漏输出和推挽输出的区别

	推挽输出	开漏输出
高电平驱动能力	强	由外部上拉电阻提供
低电平驱动能力	强	强
电平跳转速度	快	由外部上拉电阻决定电阻越小，反应越快，功耗越大
线与功能	不支持	支持
电平转换	不支持	支持

二、GPIO的8种工作模式详解

三、GPIO寄存器控制

STM32 的每个 IO 端口都有 7 个寄存器来控制。他们分别是：

2	32位配置寄存器	(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)
2	32位数据寄存器	(GPIOx_IDR和GPIOx_ODR)
1	32位置位/复位寄存器	GPIOx_BSRR
1	16位复位寄存器	GPIOx_BRR
1	32位锁定寄存器(	GPIOx_LCKR

根据数据手册中列出的每个I/O端口的特定硬件特征， GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成多种模式。大家如果想要了解每个寄存器的详细使用方法，可以参考《STM32 中文参考手册 V10》P105~P129。这边仅介绍GPIO口的初始化用到的寄存器
CRL 和 CRH 控制着每个 IO 口的模式及输出速率。

接下来我们看看端口低配置寄存器 CRL 的描述

从上图还可以得出：STM32 的 CRL 控制着每组 IO 端口（A~G）的低 8 位的模式。而高 8位输出口由CRH 控制，作用完全一样，这里不介绍，每个 IO 端口的位占用 CRL 的 4 个位，高两位为 CNF，低两位为 MODE。比如 0X3 表示推挽输出模式（做输出口用，50M 速率）、0XB 表示复用输出（使用 IO 口的第二功能，50M 速率）。
下面我们讲解一下怎样通过固件库设置 GPIO的相关参数和输出

四、端口初始化

在固件库开发中，操作寄存器 CRH 和 CRL 来配置 IO 口的模式和速度是通过文件STM32f10x_gpio.h中GPIO 初始化函数完成

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)；

这个函数有两个参数，第一个参数是用来指定 GPIO，取值范围为 GPIOA~GPIOG。
第二个参数为初始化参数结构体指针，结构体类型为 GPIO_InitTypeDef。下面我们看看这个结构体的定义：

typedefstruct
{ uint16_t GPIO_Pin;
 GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;
 GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;
}GPIO_InitTypeDef;

下面我们通过一个 GPIO 初始化实例来讲解这个结构体的成员变量的含义。
通过初始化结构体初始化 GPIO 的常用格式是：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;//定义一个该结构体类型变量
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13; // PC.13 端口配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//速度 50MHz
GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);//根据设定参数配置 GPIO

上面代码的意思是设置 GPIOC 的第 13 个端口为推挽输出模式，同时速度为 50M。从上面初始化代码可以看出，结构体 GPIO_InitStructure 的第一个成员变量 GPIO_Pin 用来设置是要初始化哪个或者哪些 IO 口；第二个成员变量 GPIO_Mode 是用来设置对应 IO 端口的输出输入模式（8种），第三个参数是 IO 口速度设置（三个可选值）
总结：

叶柄 GPIO_InitTypeDef 引出叶片GPIO_InitStructure
叶片配置  GPIO_InitStructure
生长在树干GPIO_Init（）函数中

五、 端口复用

STM32 有很多的内置外设，这些外设的外部引脚都是与 GPIO 复用的。简单来说就是作为第二功能，当作第二功能时就叫做复用。这部分知识在《STM32 中文参考手册 V10》的 P109，P116~P121 有详细的讲解哪些GPIO 管脚是可以复用为哪些内置外设的。这里我们就不一一讲解。这里以串口为例
比如说 STM32F103C8T6 有串口1，我们可以查手册知道，PA9,PA10 引脚作为串口 1 的 TX,RX 引脚使用的时候，那就是端口复用。串口 1 复用管脚如下表

复用端口初始化步骤：
1） GPIO 端口时钟使能。要使用到端口复用，当然要使能端口的时钟了。

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

2） 复用的外设时钟使能。比如你要将端口 PA9,PA10 复用为串口，所以要使能串口时钟。

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

3） 端口模式配置即端口初始化。 在 IO 复用位内置外设功能引脚的时候，必须设置 GPIO 端口的模式，至于在复用功能下 GPIO 的模式是怎么对应的，这个可以查看手册《STM32 中文参考手册 V10》P110 的表格“8.1.11 外设的 GPIO 配置”。这里我们拿 Usart1 举例：

串口复用 GPIO 配置从以上表格中可以看出，我们要配置全双工的串口 1，那么 TX 管脚需要配置为推挽复用输出，RX 管脚配置为浮空输入或者带上拉输入。

//USART1_TX PA.9 复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
//USART1_RX PA.10 浮空输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;//PA10
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

上面代码的含义在我们的做第一个点亮LED实验之后大家自然会了解
总结：我们在使用复用功能的是时候，最少要使能 2 个时钟：

1） GPIO 时钟使能
2） 复用的外设时钟使能

同时要初始化 GPIO 以及复用外设功能（AF）

六、 端口重映射

为了使不同器件封装的外设 IO 功能数量达到最优，可以把一些复用功能重新映射到其他一些引脚上。即一个外设的引脚除了具有默认的端口外，还可以通过设置重映射寄存器的方式，把这个外设的引脚映射到其它的端口。简单来说就是将某引脚第二功能也赐予其他的引脚，但不是随随便便赐予（映射），具体对应关系《STM32 中文参考手册 V10》的 P116 页“8.3 复用功能和调试配置”有讲解。这里同样拿串口 1 为例来讲解。

从表中可以看出，默认情况下，串口 1 复用的时候
的引脚位 PA9,PA10，同时我们可以将 TX 和 RX 重新映射到管脚 PB6 和 PB7 上面去。
所以重映射我们同样要使能复用功能的时候讲解的 2 个时钟外，还要使能 AFIO 功能时钟，然后
要调用重映射函数。详细步骤为：
1）使能 GPIOB 时钟：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

2）使能串口 1 时钟：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

3）使能 AFIO 时钟：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

4）开启重映射：

GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART1, ENABLE);

这样就将串口的 TX 和 RX 重映射到管脚 PB6 和 PB7 上面了。至于有哪些功能可以重映射，大家除了查看中文参考手册之外，还可以从在 stm32f10x_gpio.h 文件中GPIO_PinRemapConfig 函数入手查看第一个入口参数的取值范围可以得知。
注意:
串口中 USART3,存在部分重映射和完全重映射。所谓部分重映射就是部分管脚和默认的是一样的，而部分管脚是重新映射到其他管脚。而完全重映射就是所有管脚都重新映射到其他管脚。自行查看手册中的 USART3 重映射表，这里只是对重映射概念做个简要的描述
总结：我们在使用重映射功能的是时候，就最少要使能 3个时钟：

1）复用所需时钟
2）重映射时钟
同时要初始化 GPIO 并开启映射  

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参考资料

1. 【51/STM32】详解单片机GPIO口输入输出的各种模式
2. markdown常见问题——如何制作较复杂的表格
3. GPIO的8种工作模式详解
4. stm32端口复用和重映射

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